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摘  要：水环境中的重金属污染已成为全球关注的重要生态环境问题，其监测和风险评估对污染防控与水体修复具有重要意义。本文围绕水环境中重金属的高精度监测技术与风险评估方法展开研究，提出了基于电化学传感器的原位砷/镉离子同步检测技术，并结合三维荧光光谱与机器学习算法解析水体汞形态。并设计了一种水沙两相采样器，以监测沉积物-水体界面的重金属通量。在风险评估方面，构建了基于生物有效性的重金属毒性当量修正模型，并提出多介质暴露路径的动态风险评估框架，以提升对复杂水环境的污染评价精度，为水环境重金属污染监测与风险控制提供参考。

关键词：水环境污染；重金属监测；电化学传感器；荧光光谱；生态风险评估

0 引言

随着工业化与城市化进程的加速，水环境中的重金属污染问题愈发严峻。重金属具有毒性强、难降解、易在生物体内富集等特性，不仅严重威胁水生态系统的平衡与稳定，还通过食物链传递对人类健康构成潜在风险。准确监测水环境中的重金属污染状况，并科学评估其风险，成为当前环境科学领域亟待解决的关键问题。当前，在重金属监测与风险评估领域已取得一定成果。然而，传统监测手段在精度、形态解析及界面通量监测上存在局限，现有风险评估模型对生物有效性和暴露路径动态变化考量不足，亟待深入研究。基于此，本文致力于研发高精度的重金属污染监测技术，构建更贴合实际的风险评估模型，以为水环境重金属污染的防治提供参考。

1 重金属污染高精度监测技术

1.1 基于电化学传感器的原位砷/镉离子同步检测技术

在水环境重金属污染监测领域，基于电化学传感器的原位砷/镉离子同步检测技术以电化学传感原理为核心，利用纳米修饰电极等特定的电极材料，增强对砷/镉离子的吸附以及电化学反应，从而显著提升检测灵敏度。

在检测过程中，当电极表面与水样中的砷/镉离子接触时，会发生氧化还原反应，产生与离子浓度相关的电流或电位信号。通过精确测量这些电信号，并结合差分脉冲伏安定法、方波伏安法等电化学分析方法，便能实现对砷/镉离子浓度的定量分析。

例如，在某河流的重金属污染监测项目中，一些小型采矿企业，长期的采矿活动导致河流可能受到砷/镉离子污染。监测人员将基于电化学传感器的原位检测设备安装在河流特定位置，实现了对砷/镉离子浓度的实时、连续监测。在一次暴雨过后，监测数据显示砷离子浓度在短时间内有所上升，而镉离子浓度也出现了波动。通过同步检测技术，能够快速确定两种离子浓度的变化情况，为及时采取相应的污染防控措施提供了关键依据，避免了可能出现的更严重的污染问题。

1.2 三维荧光光谱结合机器学习的水体汞形态解析方法

三维荧光光谱技术在水环境重金属污染监测领域，为识别汞形态提供了重要的数据基础。其原理是在特定波长光激发下，通过记录不同激发波长和发射波长的荧光强度，获取三维荧光光谱数据。由于不同汞形态会发射出具有特征性的荧光，因此该技术含有丰富的水体汞化学信息。

然而，水体环境复杂，原始光谱常受到噪声、重叠峰等干扰因素影响，使得汞的形态难以直接准确解析。机器学习算法的引入有效解决了这一难题。通过大量已知汞形态样本和对应的光谱数据进行训练，机器学习可以构建精确的汞形态识别模型。以深度学习中的卷积神经网络 （CNN） 为例，其强大的特征提取能力能够在光谱数据中自动学习复杂的特征和模式，从而精确区分不同的汞形态。

在实际应用中，首先使用3D荧光光谱仪对水体样本进行荧光谱数据采集，然后将数据录入训练好的机器学习模型。模型会对光谱数据进行深度分析和处理，通过对比学习到的特征和已知汞形态特征库，快速准确地识别出水体中汞的不同形态，如无机汞和有机汞，并给出相应的含量信息。该方法实现了水体汞形态的定性和定量分析，大大提高了汞形态分析的精确性和高效性，减少了样品污染和损失的风险，无需繁琐的化学分离和预处理步骤。

1.3 水沙两相采样器的沉积物-水体界面通量监测方案

在水环境重金属污染监测中，水沙两相采样器具有良好的密封性和采样准确性，能够在不破坏沉积物-水体界面原有结构和理化性质的前提下，同步采集该界面处的水样和沉积物样品。在采样过程中，通过精确控制采样深度和时间，确保获取的样品能真实反映界面处的实际情况。分层采样技术的应用，可以获取不同深度沉积物和对应水体的样本，为研究重金属在不同界面深度的分布和迁移提供详细数据。样品采集后，利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等先进分析仪器，对样品中各种重金属元素的浓度进行精确测定。结合所采集样品的体积、质量等参数，以及时间间隔，根据质量守恒定律和相关通量计算模型，计算沉积物-水体界面重金属的扩散通量、迁移速率等关键参数。

例如，在某河口地区，研究人员利用水沙两相采样器进行长期监测。该河口地区受到工业废水排放和潮汐影响，重金属污染情况较为复杂。在洪水期，监测发现沉积物-水体界面的重金属扩散通量明显增加，这是由于洪水带来了大量的泥沙和污染物，导致沉积物再悬浮，使得重金属在水体和沉积物之间的迁移加剧。而在枯水期，通量则相对稳定。这些数据为河口地区的水环境管理提供了重要依据，相关部门可以根据不同时期的通量变化，制定针对性的污染防治策略，如在洪水期加强对工业废水排放的监管，以减少重金属对水体环境的污染，保障河口地区的生态安全。

2 风险评估模型构建与验证

2.1 基于生物有效性的重金属毒性当量修正模型

在水环境重金属污染风险评估中，基于生物有效性的重金属毒性当量修正模型是准确衡量重金属危害程度的重要工具。传统的重金属风险评估往往仅考虑重金属的总量，但实际上，重金属的生物有效性才是决定其对生态系统和人体健康危害程度的关键因素。该模型以重金属的生物有效性为核心，对传统的毒性当量计算进行修正。生物有效性反映了重金属能够被生物吸收、利用并产生毒性效应的部分。其计算公式为：

其中，T.E.Fx为修正后的毒性当量因子，T.E.Fc是传统的毒性当量因子，B.A.F表示生物有效性因子。生物有效性因子B.A.F的确定是模型的关键环节，受多种因素影响，如重金属的化学形态、沉积物特性、水体的pH值、氧化还原电位等。例如，在不同的pH值条件下，重金属的存在形态会发生变化，其生物有效性也随之改变。通过一系列实验方法，如生物配体模型（BLM）实验、化学提取法等，可以测定不同环境条件下的生物有效性因子。

在实际应用中，需先测定环境样品重金属总量的生物有效性因子，将传统毒性当量因子与之相乘，得到修正后的毒性当量，能更精准反映实际环境中重金属毒性，为风险评估提供科学依据。如某重金属污染水体，经模型计算，修正值远低于总量计算值，凸显该模型评估的精确性。

2.2 多介质暴露路径的动态风险评估框架

多介质暴露路径的动态风险评估框架是一套系统、全面评估重金属污染风险的体系，主要涵盖污染源分析、介质迁移转化模拟、暴露评估以及风险表征这几个关键模块，具体如图1所示。

污染源分析模块，通过对工业排放、农业活动、自然地质等多种来源的详细调查，确定重金属的释放量、释放形态及释放规律。

介质迁移转化模拟模块则利用专业模型，结合水动力、大气扩散等原理，模拟重金属在水、土壤、大气等不同介质间的迁移转化过程。例如，运用水流模型追踪重金属在水体中的扩散路径，借助大气传输模型分析其在大气中的飘散范围，同时考虑土壤吸附解吸、生物降解等过程对重金属形态和浓度的影响。

暴露评估模块依据前序模拟结果，结合人群或生物的活动模式、呼吸频率、饮水习惯等因素，计算不同受体通过呼吸、饮水、皮肤接触、食物链摄入等多种暴露路径接触到的重金属剂量[3]。

风险表征模块将暴露剂量与重金属的毒性数据相结合，运用概率风险评估等方法，量化重金属对生态系统和人体健康产生不良影响的可能性和严重程度。考虑到环境的动态变化，如季节更替、气候变化、政策调整等因素，该框架会定期更新数据并重新模拟，确保评估结果能及时反映实际风险状况。

2.3 某矿区河流砷污染生态风险案例验证

某矿区长期的开采活动导致周边河流遭受砷污染，对当地生态系统和居民健康构成潜在威胁。河流周边存在农田灌溉用水需求，且有多种水生生物和陆生生物栖息，因此准确评估砷污染的生态风险迫在眉睫。

针对该矿区河流，首先运用基于生物有效性的重金属毒性当量修正模型，测定不同河段砷的生物有效性因子，结合传统毒性当量因子，修正计算砷的毒性当量。同时，采用多介质暴露路径的动态风险评估框架，全面分析矿区开采活动这一主要污染源。利用水流模型和大气传输模型模拟砷在水、土壤、大气间的迁移转化，结合周边人群和生物的活动模式评估暴露剂量，运用概率风险评估量化风险。

通过两种模型的综合运用，准确掌握了该矿区河流砷污染的实际风险状况。发现部分区域虽砷总量高，但生物有效性低，实际风险可控；而部分区域因特殊迁移转化过程和暴露途径，风险较高。这为治理工作提供了精准依据，使得治理资源得以合理分配，有效降低了砷污染对生态系统和人体健康的威胁，验证了风险评估模型的有效性。

3 结语

水环境中重金属污染的监测与风险评估对水资源安全具有重要意义。本文探讨了为污染溯源和精确控制提供技术支撑的电化学传感、荧光谱分析和水沙界面监测方案等高精度监测技术。同时，可通过矿区河流案例，验证基于生物有效性的毒性修正模型及多介质暴露路径风险评估框架，提高污染风险量化科学性与方法适用性。为了增强对复杂水环境重金属污染的预测和管控能力，未来研究应加强长期监测数据的整合，优化风险评估模型。

参考文献

刘丹.水环境重金属污染现状及检测技术进展[J].清洗世界，2024，40（09）：76-78.

汤荣生.物联网技术在水环境实时监控中的应用[J].福建电脑，2022，38（03）：61-63.

许秋飞，沈振萍，严勇，等.面向城市群的区域水环境智能监测研究——以长株潭城市群为例[J].湘潭大学学报（自然科学版），2023，45（06）：52-61.

作者简介：周超（1988.03），男，汉族，江苏丹阳人，硕士研究生，工程师，研究方向环境检测、环境咨询、环境验收评价等